参数化建模在幕墙设计施工中的应用

■ 庞德强 Pang Deqiang 毛伙南 Mao Huonan

0 引言

参数化建模技术在辅助建筑设计上的应用越来越广泛，其发展时间短暂，发展速度却令人叹为观止。目前，在建或已建成的形态各异的建筑中，或多或少都有参数化软件的设计辅助。在各种常用的参数化辅助设计软件当中，R h i n o c e r o s和G r a s s h o p p e r组成的设计平台是目前使用最为广泛、最为流行的一套设计平台，这主要得益于R h i n o c e r o s建模软件强大的造型能力和G r a s s h o p p e r独特的可视化编程建模方式。

1 项目概况

本项目为公司在新加坡承接的一个海外重点项目，其外形就像是一个船体（图1～4），幕墙面积1 0 0 0 0 m2。由于立面造型复杂，特别是有个船体的造型，加上土建施工方没严格按图施工和设计，有比较大的出入，必须采取有效手段予以纠正。本案就是要纠正土建的误差和优化建筑的立面效果，用参数化来解决幕墙施工设计中的问题。

图1 项目效果图

图2 项目立面图

图3 项目平面图

图4 项目剖面图

2 三维空间建模

作为幕墙施工单位，要把设计师的意图和想法实现到现实来，必须完善幕墙施工图。但通过图纸，我们很难在二维的平面上看出个究竟。因此，必须进行三维空间建模。这里，我们用Rhinoceros的平台对设计院的图纸进行校对。

2.1 轮廓处理

将每层的平面图纸导入到Rhinoceros中（图5），对每层的轮廓线进行描绘。通过对比分析，最终确定以8层的平面轮廓为标准进行轮廓处理（图6）。

2.2 造型分析

根据甲方要求，幕墙的剖面斜率要保持一致的3.5°倾角；同时，还要满足建筑红线的规划要求（图7）。另外，根据目前工地现场已经完成的4层结构面实测数据，施工的实际偏差还不小。而此刻，工地为了赶工期，正在忙着搭建第5层的脚手架。时间紧迫，必须在搭建5层结构模板之前，把幕墙的模型给定下来。

但是设计院提供的图纸有缺陷，加上甲方赶工的时间仓促，这就给幕墙的设计施工带来了困难。通过对图纸的大致分析，我们对该造型有了概念。这是一个倒椭圆台造型，对于这种非线性的造型，通常的二维C A D的表达方式是难以表达出来的。

为了方便施工，节省材料成本，板块必须尽可能少，决定将板块做成等腰梯形。但是，要达到等腰梯形的要求，且每个板块夹角大小一样，那这个弧必须是圆弧才可以。根据这个思路，最终就把椭圆造型分解成3部分：大弧段部分由大圆弧去拟合，小圆弧段由小圆弧去拟合，它们的连接部分再用圆弧段去拟合。也就是说，整个椭圆造型是由3个圆弧构成的。图8为拟合的三段弧线段。

2.3 建模

2.3.1 外表皮构建

（1）利用图8的3条线段进行模型构建，这些都是在参数化建模的环境下完成的（图9）。

（2）利用这3条轮廓线进行偏移，定向移动，再放样生成表皮（图10）。

（3）对生成的表皮进行检验，看其跟之前的结果有没有碰撞（图11）。

（4）通过对偏移尺寸的控制，将表皮的最外边控制在建筑红线之内（图12）。必须将外围的轮廓线往里偏移450 mm。

图5 导入的各层平面图

图6 8层平面图

图7 规划红线图

图8 拟合的三段弧线段

图9 G H构建表皮的逻辑关系图

图10 生成的表皮造型

图11 验算外轮廓和红线的关系

图12 在G H中调整尺寸

2.3.2 碰撞检测

将外表皮建完之后，下一步工作就是检测表皮和结构之间会不会碰撞。

（1）重新抽取每层的结构轮廓线（图1 3），具体的位置对应每层的标高。由于设计院图纸的原因，原设计的结构有误差，使得幕墙超出了建筑红线，必须重新根据红线来定义结构。因此，现在抽取的结构线就是实际施工的结构线。

（2）抽取完结构线之后，就要对幕墙的表皮进行划分。根据节点的剖面进行玻璃板块的定位，并根据定位线，提取到G H插件中（图1 4、1 5）。

（3）通过表皮的分割，得到了净玻璃板块（图1 6）。这些的工作也全是在参数化的平台中完成的。

2.4 施工下单

（1）为了方便下单，需要对板块进行编号，对三维空间的板块进行摊平（图1 7、1 8）。

（2）由于有绝大部分的板块是相同的，为了节省设计者的时间，必须把相同的板块进行分类。不过，在分类之前，首先要给板块进行编号（图1 9～2 1）。

（3）最终，我们得到了不同的板块。提取每个板块的编号、尺寸、对角线和角度等信息（图2 2、2 3），生成数据表格（图2 4、2 5）。

（4）把逻辑关系通过Grasshopper表达清楚之后，其后续工作基本都是自动生成，就可以批量下单了，大大节省了设计者的时间。

图13 楼层的各层结构轮廓线

图14 玻璃剖面图

图15 GH中对玻璃进行分割

图16 玻璃板块分格透视图

图17 GH中对板块进行摊平的逻辑关系

图18 摊平的玻璃板块

图19 GH中对板块进行编号的逻辑关系

图20 带编号的玻璃板块

图21 GH中对板块进行归类的逻辑图

图22 带有编号、尺寸、对角线、角度的板块

图23 板块放大图

图24 GH中输出表格的逻辑图

图25 生成的数据表格

3 结语

回顾整个建模过程，需要手工完成的部分就是导入平、立、剖面和节点大样图。在确定轮廓线之后，其他的步骤均可以交由G r a s s h o p p e r插件来完成，通过编写逻辑关系，实现参数化的建模，极大地提高了幕墙设计和施工下单的效率。